Пояснительная записка Вэлективном курсе 10 класса «Дополнительные главы физики: теория и эксперимент» урок №17/3 находиться в теме №3 «Тепловые явления». Тема данного урока: «Механические свойства твердых тел. Пластичность и хрупкость. Модуль Юнга» icon

Пояснительная записка Вэлективном курсе 10 класса «Дополнительные главы физики: теория и эксперимент» урок №17/3 находиться в теме №3 «Тепловые явления». Тема данного урока: «Механические свойства твердых тел. Пластичность и хрупкость. Модуль Юнга»


2 чел. помогло.
Смотрите также:
Программа элективного курса по физике «Механические свойства вещества»...
План урока : 1-обобщение...
Урок-праздник знаний по теме: "Тепловые явления"...
Конспект урока физики в 10 классе По теме: «Тепловые двигатели и их роль в жизни человека»...
Конспект урока по изучению нового материала Тема урока: Зонная теория строения твердых тел...
Урок-соревнование по теме "тепловые явления"...
«Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии»...
Рабочая программа механические свойства твердых тел Специальность (направление): 010400 физика...
Конспект урока физики «Путешествие в мире физических явлений»...
Урока Класс Тема урока Тип урока и его структура...
Урок повторения раздела «Тепловые явления»...
Урок по теме «История эвм»...



Загрузка...
скачать


Муниципальное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №76

Ленинского района

г. Ярославля


Урок «Механические свойства твердых тел.

Пластичность и хрупкость.

Модуль Юнга» из элективного курса физики. 10 класс.

«Дополнительные главы физики: теория и эксперимент»


Учитель физики

Маркова Т.Н. Школа 76


2006-2007 учебный год

Пояснительная записка


В элективном курсе 10 класса «Дополнительные главы физики: теория и эксперимент» урок № 17/3 находиться в теме № 3 «Тепловые явления».

Тема данного урока: «Механические свойства твердых тел. Пластичность и хрупкость. Модуль Юнга».

№ 17/3 означает: 17 - номер урока по порядку, 3 – номер урока в данной теме.


Урок 17/3

«Механические свойства твердых тел. Пластичность и хрупкость. Модуль Юнга»

Цель урока: I. углубление и расширение базовых знаний учащихся по теме «Твердые тела»:

  1. ознакомить учащихся с различными видами деформации твердых тел и их характери­стиками;

  2. рассмотреть количественные характеристики механических свойств твердых тел; вы­вод закона Гука, объяснить физический смысл модуля упругости.

II. приобретение практических умений и навыков при проведении экспери­мента и лабораторной работы.

Оборудование: прибор для демонстрации различных видов деформации, таблица «Виды деформации», Комплект приборов для лабораторной работы.


Ход урока.

  1. Подготовка к восприятию нового материала.

Фронтальная беседа с классом.

  1. Основные свойства кристаллических тел.

  2. Различие в свойствах аморфных и кристаллических тел.

  3. Что произойдет с монокристаллом поваренной соли, если его опустить в ненасыщен­ный раствор этой соли? В насыщенный? В пересыщенный? (а. Кри­сталл будет растворятся; б) ничего не произойдет; в) кристалл будет расти).

  4. Почему в природе не бывает кристаллов шарообразной формы?(Вследствие анизо­тропии роста.)

  5. Почему в таблице температур плавления различных веществ нет температуры плавле­ния стекла? (Стекло – аморфное тело и не имеет определенной точки плав­ления.)

  1. Изучение нового материала.

  1. Виды деформаций.

Почти все окружающие нас предметы несут механическую нагрузку – стул, на ко­тором мы сидим, стол, на который облокотились, гвоздь, которым прибита к стене книж­ная полка, сама стена, весь каркас нашего дома, его фундамент и участок земли, на кото­ром он стоит. Это все – нагрузки, действующие постоянно или прикладываемые мед­ленно.

Если же взять двигатель автомобиля, то, как известно, на поршень действует взрывная сила со стороны газов, с огромной скоростью сгорающих в цилиндре. Поршень через шатун передает нагрузку на коленчатый вал, который, таким образом, оказывается под действием циклически изменяющихся сил.

В современной технике основные конструкционные материалы – металлы и сплавы. Более 90 % от общего количества производимого человеком металла использу­ется именно потому, что металлы обладают особым сочетанием механических свойств – хорошо сопротивляются нагрузкам. Лишь остальная, малая часть металлов находит при­менение в силу их высокой электропроводности, теплопроводности, магнитных свойств и др.

Под действием нагрузки материалы деформируются - изменяются размеры и формы деталей.

Шнур после прекращения действия на него сил возвращается в исходное состоя­ние. Деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия внешних сил, называются упругими. Кроме резинового шнура, упругие деформации пружина, стальные шарики при столкновении и т. д.

Теперь сожмите кусочек пластилина. В ваших руках он примет любую форму. Первоначальная форам пластилина не возвращается сама собой. Пластилин «не помнит», какая форма у него была раньше. Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называются пластическими. Пластическую деформацию при не­больших, но не кратковременных воздействия испытывают глина, воск, свинец.

Деформации делятся на виды:

  1. ^ Деформация растяжения (сжатия).

Если к однородному стержню, закрепленному одним концом, приложить силу F вдоль оси стержня в направлении от этого конца (рис. 1), то стержень подвергнется де­формации растяжения. Деформацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением Δl = l – l0 и относительным удлинением ε = Δl / l0 , где l0 – начальная длина, а l – конечная длина стержня.

Деформацию растяжения испытывают тросы, канаты, цепи в подъемных устройст­вах, стяжки между вагонами и др.

При малых растяжениях (Δl<< l0) деформации большинства тел упругие.

Если на тот же стержень подействовать силой F, направленной к закрепленному концу (рис. 2), то стержень подвергнется деформации сжатия. В этом случае относитель­ная деформация отрицательна: ε<0.

Деформацию сжатия испытывают столбы, колонны, стены, фундаменты зданий и др.

При растяжении или сжатии изменяется площадь поперечного сечения тела. Это можно обнаружить, если растягивать резиновую трубку, на которую предварительно на­дето металлическое кольцо. При достаточно сильном растяжении кольцо падает. При сжа­тии, наоборот, площадь поперечного сечения тела увеличивается.

  1. ^ Деформация сдвига.

Деформацию, при которой происходит смещение слоев тела друг относительно друга, называют деформацией сдвига.

Опыты показывают, что при упругих деформациях угол сдвига прямо пропорцио­нален модулю F приложенной силы.

Наглядно деформацию сдвига можно показать на модели твердого тела, которое состоит из ряда параллельных пластин, соединенных между собой пластинами. Горизон­тальная сила сдвигает пластины друг относительно друга без изменения объема тела. У реальных твердых тел при деформации сдвига объем также не меняется.

Деформациям сдвига подвержены все балки в местах опор, заклепки и болты, скрепляющие детали и др. Сдвиг на большие углы может привести к разрушению тела – срезу. Срез происходит при работе ножниц, долота, зубила, зубьев пилы.

  1. ^ Изгиб и кручение.

Более сложными видами деформаций являются изгиб и кручение. Деформацию изгиба испытывает, например, нагруженная балка. Кручение происходит при завертыва­нии болтов, вращении валов машин, сверл и др.

Эти деформации сводятся к неоднородному растяжению или сжатию и неоднород­ному сдвигу.

^ Фронтальная лабораторная работа «Наблюдение упругих и пластических деформаций тел».

Приборы и материалы: резина ученическая (ластик), брусок металлический размером 40 х 25 х 8 мм, брусок пластилиновый размером 30 х 20 х 8 мм.

Ход работы:

  1. Растяните, затем согните ластик.

  2. Ответьте на вопросы:

    • Как направлены силы, действующие на ластик при его растяжении и сжа­тии?

    • Как направлена сила упругости, возникающая в ластике при деформации, от­носительно направления смещения его частиц?

    • Как изменялись длина и площадь поперечного сечения ластика при его растя­жении и сжатии?

    • Восстанавливается ли форма ластика после снятия нагрузки?

  3. Положите ластик на стол и прижмите его бруском. Перемещая брусок горизон­тально, наблюдайте деформацию сдвига.

  4. Ответьте на вопросы:

    • Как направлены силы, действующие на ластик при деформации сдвига?

    • Как смещались слои ластика относительно друг друга при деформации сдвига?

    • Как изменялась деформация сдвига при увеличении нагрузки?

  5. Изогните ластик. В каких слоях ластика возникли деформации растяжения, а в ка­ких – сжатия?

  6. Скрутите ластик. Из каких ранее рассмотренных деформаций состоит деформация кручения?

  7. Подвергните деформации сжатия брусок из пластилина. Восстанавливается ли его форма после снятия нагрузки?

  1. ^ Механические свойства твердых тел.

Наука о механических свойствах устанавливает связь между напряжением σ и де­формацией ε.

Напряжение равно отношению величины приложенной силы F к площади S попе­речного сечения изделия: σ = F/S. Толстый канат может выдержать вес лифта с пассажи­рами, а тонкую проволочку из того же материала можно порвать руками; чтобы охаракте­ризовать свойства самого материала, нужно указать напряжение, которое его разрывает, и эта характеристика уже не будет зависеть от толщины изделия. Размерность напряже­ния - Н/м2 (Па - паскали). Деформация ε – это безразмерная величина, равная отноше­нию из­менения размера изделия Δl к исходному размеру l0: ε = Δl/l0. Длинный стержень и корот­кая проволока из одного материала порвутся при равных ε.

Связь между ε и σ определяют путем испытания образцов с помощью специаль­ных машин. Самый распространенный метод механических испытаний – испытание на растяжение, когда образцы с головками (рис. 3) зажимают в захватах машины и растяги­вают с нарастающей нагрузкой до разрыва. Приборы записывают изменение длины об­разца при каждом значении нагрузки, а затем, определив напряжение и удлинение, можно построить диаграмму деформации (рис. 40).

Важнейшие механические свойства материалов – их прочностные характеристики, упругость и пластичность.

На первом участке диаграммы металл деформируется упруго. Напряжение, соот­ветствующее концу этого участка, σупр называется пределом упругости. Если напряжение не превышало σупр, то линия разгрузки следует прямой АО, и исходные размеры изделия восстанавливаются. Линейная связь между σ и ε в пределах упругой области (σ = Eε) ус­тановлена английским естествоиспытателем Р. Гуком еще в XVII в. Константу Е назы­вают модулем упругости или модулем Юнга.

Закон Гука (σ = Eε) легко привести к виду, известному из курса физики 9-ого класса.

Действительно, подставив в формулу (σ = Eε) σ = F/S и ε = |Δx|/l0, получим: F/S = E|Δl|/l0/. Отсюда F = SE|Δl|/l0. Обозначим SE/l0 = k, тогда F = k|Δl|.

Таким образом, жесткость k стержня прямо пропорциональна произведению мо­дуля Юнга на площадь поперечного сечения стержня и обратно пропорциональна его длине.

Для многих металлов Е имеет порядок 104 – 105 МПа, а σупр – порядок 10 - 102 МПа, поэтому εупр – это обычно десятые доли процента. Есть, правда, особые сплавы, которые выдерживают огромные упругие деформации – на два порядка больше, чем обычные металлы. Это явление называют сверхъупругостью, а поведение таких сплавов при нагружении и разгрузке напоминает поведение резины.

У всех других материалов, если напряжение превысило σупр, начинается пластиче­ская деформация. Линия разгрузки, согласно закону Гука, идет параллельно АО, и упру­гая деформация исчезает, но уже появляются остаточные изменения размеров (εост). В технике остаточные деформации деталей чаще всего не допустимы, поэтому σупр - это одна из основных прочностных характеристик. Другая основная характеристика прочно­сти – σв – предел прочности (или временное сопротивление); это наибольшее напряжение, которое может выдержать материал. Если напряжение превысит σв, материал разруша­ется. У лучших сортов стали σупр превышает 103 МПа, σв - 3·103 МПа.

Предельная деформация εразр, которую материал может выдержать без разрушения, определяется его пластичностью. Чем больше пластичность материала, тем легче придать ему сложную форму на стадии изготовления деталей. Если εразр = 100 %, то пластичность считается уже довольно высокой, а пластину из материала, имеющего εразр = 50 %, можно согнуть и сплющить до соприкосновения ее сторон.

Пластическая деформация происходит путем взаимных сдвигов соседних слоев ма­териала, причем эти сдвиги имеют необратимый характер, т. Е. деформация сохраняется после разгрузки. Теперь есть только один способ вернуть материал к исходно форме – пластически деформировать его в обратном направлении. Однако те же сплавы, которые проявляют сверх упругость, можно обработать так, что они будут «запоминать» форму. Пластическая деформация таких сплавов (если она не превышает примерно 10 %) исче­зает при нагревании без всякого участия внешних сил – восстанавливается прежняя форма изделия.

Прогиб балки под действием поперечной силы очень сильно зависит от формы се­чения балки. Для демонстрации этого известный русский физик Н. А. Умов показывал на лекции опыты, которые вы легко можете воспроизвести. Возьмите четыре полосы тонкого картона длиной около 20 см и шириной 5-6 см. Положите одну из них между двумя стоп­ками книг, обвяжите в центре ниткой и подвесьте к ней гирьки или другие грузы извест­ного веса (например, монеты в мешочке). Под действием самого малого веса полоса про­гнется. Теперь будем менять форму сечения нашей балки. Вторую полоску согнем углом, третью – в виде тавра (буквой П) и повторим испытания.

Фигурные полоски выдерживают значительно больший груз. Однако «чемпионом» станет полоска, которую мы свернем в трубку и свяжем ниткой. Она прогибается под дей­ствием груза, в сотни раз большего, чем плоская пластина. Например, трубка с внешним радиусом R = 1,2 см и внутренним r = 0,75 см прогибается также, как сплошной брусок квадратного сечения со стороной а = 2 см. А ведь количество материала, пошедшее на та­кую трубку, в 1,5 раза меньше, чем на брусок той же длины.

Полые кости животных и птиц говорят о том, что природа хорошо использует и легкие трубки.

  1. Повторение изученного материала.

  1. Что такое деформация?

  2. Какую деформацию называют упругой? Пластической?

  3. Назовите виды деформаций.

  4. Объясните, что происходит с телом при растяжении и сжатии.

  5. Что называют абсолютным удлинением тела? Какой формулой выражается смысл этого понятия?

  6. Что называют относительным удлинением? Какая формула выражает смысл этого понятия?

  7. В чем сходство и различие деформаций сдвига и кручения?

  8. Охарактеризуйте деформации изгиба. Почему в технике и в строительстве вме­сто стержней и сплошных брусьев применяют трубы, двутавровые балки, рельсы, швеллеры?

  9. К какому виду деформации относится срез?

  10. Что называют механическим напряжением? Какая формула выражает смысл этого понятия? Какова единица механического напряжения в СИ?

  11. Каков физический смысл модуля упругости? Как следует понимать: модуль упругости стальной проволоки 2 · 1011 Па, алюминия 7 · 1010 Па?

  12. Запишите формулу закона Гука для одностороннего растяжения или сжатия и как она формулируется?

  13. Что такое жесткость? Какова единица жесткости в СИ?

  1. Решение задач.

  1. Проволока длиной 5,4 м под действием нагрузки удлинилась на 2,7 мм. Определить удлинение проволоки. Относительное удлинение – величина безразмерная (Ответ: Е = 5 · 10-4)

Дано: l0 = 5.4 мм

Δl = 2,7 мм = 2,7 · 10-3 м

Найти: Е

Решение: относительное удлинение проволоки: ε = Δl/l0, где Δl – абсолютное удлине­ние проволоки. Отсюда ε = 2,7 · 10-3 / 5,4 = 5 · 10-4.

  1. Какова должна быть площадь поперечного сечения стального стержня, чтобы при на­грузке 25 кН растягивающее напряжение равнялось 6 · 107 Па? (Ответ: S = 0.4 · 10-3 м2)

Дано: F = 25 кН = 25 · 103 Н = 2,5 · 104

Е = 6 · 107 Па

Найти: S - ?

Решение: По определению механического напряжения: v = F/S; S = F/v [Н/Па = Н/Н/м2 = м2]; S = 2,5 · 104/ 6 · 107 = 0,4 · 10-3 м2.

  1. На сколько удлинится медная проволока длиной 3 м и диаметром 0,12 мм под дейст­вием гири весом 1,5 Н? Деформацию считать упругой. (Ответ: Δl = 3,3 мм.)

Дано: F = P = 1,5 Н

Е = 1,2 · 1011 Па

d = 0,12 мм = 1,2 · 10-4 м

l0

Найти: Δl - ?

Решение: модуль упругости меди (т. е. модуль Юнга) определяем по таблице. Прово­лока удлинилась под действием гири, следовательно, вес гири равен силе, вызываю­щей деформацию проволоки. Воспользуемся законом Гука: V = E · S, учитывая, что механическое напряжение v = F/S. Относительное удлинение проволоки ε = Δl/l0 и площадь поперечного сечения проволоки S = πd2/2, получим F/S == EΔl/l0, отсюда уд­линение проволоки: Δl = Fl0/ES = 4Fl0/Eπd2; Δl = [Н · м/Па · м = Н · м / Н/м2 · м2 = м].

  1. Домашнее задание.

  1. Прочитать конспект в тетради

  2. Решить задачи:

    1. При какой предельной нагрузке разорвется стальной трос диаметром 1 см, если предел прочности стали 1 ГПа? (Ответ: Fпр = 78,5 кН)

    2. Вычислите модуль упругости для железа, если известно, что железная проволока длиной 1,5 м и сечением 10-6 м под действием силы в 200 Н удлинилась на 1,5 мм (Ответ: Е = 2 · 1011 Па.)

  3. По желанию.

Темы докладов:

  1. Применение деформаций в строительстве, машиностроении, приборостроении;

  2. Пути создания материалов с заранее заданными свойствами:

  3. Управление их свойствами, структурой и строением;

  4. Управление технологией их обработки (данная тема готовится коллективно).

Сообщения готовятся по следующему плану:

    • Кто – сведения об авторе открытия;

    • Что – суть материала, изобретения, открытия, метода, свойства материала и их изменения.

    • Где – место открытия или внедрения изобретения в производство (страна, ре­гион, предприятие, цех и др.)

    • Когда – дата (месяц, эпоха или период) изобретения, открытия, внедрения.

  1. Маленькие истории-шутки из жизни ученых и изобретателей, работающих в об­ласти физики твердого тела.


Использованная литература при подготовке к уроку:


  1. Энциклопедический словарь юного физика, Москва, «Педагогика», 1984

  2. В. А. Волков «Поурочные разработки по физике. 10 класс», Москва, «ВАКО», 2006

  3. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев «Физика. 10 класс», Москва, «Просвещение», 1997

  4. Г. В. Маркина «Физика. 10 класс. Поурочные планы», Волгоград, «Учитель», 2003






F1 = - F2 F1 = -F F


Рис. 1 Рис. 2





2 5 4

σ = F/S ε = Δl/l0 Рис. 3

1 F Δl 3

2

0 S 1


F F

l


σ B


разрушение Рис. 4

пластическая деформация


σупр А


упругость


0 ε

εупр εупр

εост

ε разр







Скачать 121,95 Kb.
оставить комментарий
Дата27.09.2011
Размер121,95 Kb.
ТипУрок, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

плохо
  2
средне
  2
хорошо
  2
отлично
  2
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

наверх